最新第三章 细胞工程PPT文档.ppt
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1、1.细胞工程(cell engineering)的基本原理 细胞是构成生物体的基本单元。细胞本身、细胞代谢的中间产物或最终产物具有十分重要的用途,如医药产品,诊断试剂,生物催化剂及各种精细化学品等。细胞工程:就是通过大规模的细胞或组织培养,获得所需要的产品的技术。,细胞细胞工程操作的对象。,1.1细胞工程的基本原理,细胞的全能性是指已经分化的细胞在合适条件下具有潜在的发育成完整植株或个体的能力。,全能性这个概念在20世纪70年代,已经在植物细胞上完全得到证实和发展。对微生物而言,一个微生物细胞就是一个生命,在合适条件下,可以形成一个单菌落,并且具有自我复制、新陈代谢等生命基本特征。,细胞的全能
2、性是细胞工程学科领域的理论核心。,干细胞的研究成果(干细胞的发现)否定了动物细胞不具有全能性的传统观念。,同食品工业密切相关的是离体细胞的培养及次生代谢产物的产生。,细胞全能性的概念在20世纪80年代之后又进一步发展,细胞不仅具有发育成完整植株和个体的潜能,而且具有在细胞水平上表达出有用次生代谢物等多方面的能力。,细胞具有全能性是由于每个细胞都有一套完整的基因组。,百合愈伤组织分化,1.2细胞工程的基本操作 细胞工程的基本操作有:无菌操作技术、细胞培养技术、细胞融合技术。,无菌操作技术 细胞工程的所有实验都要求在无菌条件下进行。实验操作应在无菌室内进行。,超净工作台是最基本的实验设备,一切操作
3、都应在超净工作台上进行。,其次,对生物材料、实验所用的一切器械、器皿、药品等都应进行灭菌或除菌。,细胞培养技术 细胞培养是指动物、植物和微生物细胞在体外无菌条件下的保存和生长。,最后,将生物材料接种于培养基中后,放入适当的培养条件下进行培养。,细胞培养:首先,要取材和除菌;,其次,根据各类细胞的特点,配制相应的培养基进行灭菌;,细胞融合技术 细胞融合:两个或多个细胞相互接触后,其细胞膜发生分子重排,导致细胞合并,染色体等遗传物质重组的过程。,细胞融合是细胞工程的重要技术,主要过程包括:,a:原生质体制备;,b:诱导细胞融合;,c:筛选杂合细胞等过程。,2.细胞培养技术,细胞培养包括微生物细胞培
4、养、动物细胞培养 和植物细胞培养。,通过细胞培养可以得到大量的细胞或其代谢物,如单细胞蛋白(SCP)、抗生素、氨基酸、酶制剂、疫苗等,具有广泛的用途。,2.1微生物细胞培养2.2动物细胞培养,自学,2.3植物细胞培养2.3.1植物细胞培养基的组成及种类,培养基组成:,无机盐 无机盐主要有K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、P、S等,微量元素包括B、Mn、Zn、Mo、Cu、Co和Fe等。,碳源 一般以蔗糖或葡萄糖糖为碳源,果糖和麦芽糖的利用效果差一些。通常增加培养基中的蔗糖含量,可增加培养细胞的次生代谢产物量。,有机氮源 通常采用的有机氮源有蛋白质水解物,谷氨酰胺或氨基酸的混合物。有机氮源对细胞
5、初期培养的早期生长阶段有利。,植物生长激素,维生素 植物细胞培养需要加入硫胺素,如果加入烟酸、吡哆醇、泛酸、生物素等效果更好。,复合物质 复合物质通常作为细胞的生长调节剂,有酵母抽提液、麦芽抽提液、水果汁等。,2.3.2植物细胞培养方法 植物细胞培养方法多种多样,悬浮细胞培养是生产中应用最多的一种培养方法。,下面重点讲述植物细胞悬浮培养。,悬浮细胞培养概念 指将组织培养物分离成单细胞,悬浮在液体培养基上进行培养的方法。,植物细胞培养的基本操作过程,整体植株植物组织或器官外植体在固体培养基上诱发愈伤组织愈伤组织继代培养悬浮培养,a:植物组织培养 指在无菌条件下,将离体的植物器官(如根尖、茎尖、叶
6、、花、未成熟果实、种子等)、组织(如花药组织、胚乳、皮层等)、细胞(体细胞、生殖细胞等)、胚胎(如成熟胚胎和未成熟胚胎)、原生质体等培养在人工配置的培养基上,给予适当的培养条件,诱发产生愈伤组织、潜伏芽或长成新的完整植株的一种技术。植物细胞培养是组织培养的技术之一。,几个重要概念,b:外植体 指植物组织培养中用来进行离体无菌培养的离体材料,可以是器官、组织、细胞和原生质体等。,c:愈伤组织 指外植体组织增生的细胞产生的一团不定型的疏松排列的薄壁细胞。,d:继代培养 指愈伤组织在培养基上生长一段时间后,营养枯竭,水分散失,并已积累了一些代谢产物,此时需要将这些组织转移到新的培养基上,这种转移称为
7、继代培养或传代培养。,胡萝卜的愈伤组织,当归愈伤组织及组织分化,香茶菜愈伤组织及分化苗,植物细胞悬浮培养的要求,b:悬浮培养条件 通常采用水平振荡,振幅24cm为宜;温度2430为宜;在培养过程中需连续不断的供氧,使氧溶解量维持在一定的水平;大多数植物细胞培养pH为57;细胞起始密度一般为0.52.5105个/m l。,a:选择合适的培养材料 一般选用疏松易碎的愈伤组织进行起始悬浮培养。另一种材料是取自植物的茎部组织或幼胚,将其组织破碎后利用破碎组织进行液体悬浮振荡培养。,c:剪切力对细胞悬浮培养的影响 植物细胞对剪切力敏感。剪切力对植物细胞的影响主要表现在两方面:一、积极影响。二、负面影响。
8、,d:防止细胞凝聚成块 植物细胞很少以单一细胞悬浮生长,具有聚集在一起的特性,容易积聚成细胞团。,e:保持细胞培养无菌 植物细胞培养基成分复杂而且丰富,适合微生物生物生长,极易造成污染。植物细胞生长速度慢,操作周期长。,a:分批培养法 指在新鲜的培养基中加入少量的细胞,在培养过程中既不从培养系统中放出培养液,也不从外界向培养系统中补加培养基的一种培养细胞的方法。,分批培养操作简便,广泛应用于实验室和生产中。,特征:培养基的基质浓度是随培养时间的增加而下降,细胞浓度和产物随培养时间的增加而增加。细胞经历诱导期、对数期、稳定期和衰亡期。,b:半连续培养法 指在反应器中投料和接种培养一段时间后,将部
9、分培养液和新鲜培养液进行交换的培养方法。,特征:可不断补充培养液中的营养成分,减少接种次数,使培养细胞所处环境与分批培养一样随时间而变化。,工业生产中为简化操作过程,确保细胞增殖量,常采用半连续培养法。,c:连续培养法 指在培养过程中,不断抽取悬浮培养物并注入等量新鲜培养基,使培养物不断得到养分补充和保持其恒定体积的培养方法。,特征:一、由于不断的加入新鲜培养基,保证了养分的充分供应,不会出现悬浮培养物发生营养不良的现象;二、连续培养可在培养期间,使细胞长久的保持在对数期,细胞增殖速率快;三、连续培养适合于大规模工业化生产。,2.3.3植物细胞培养生物反应器,20世纪70年代,开始研究植物细胞
10、大规模培养,主要借助微生物培养时广泛应用的搅拌式生物反应器。,植物细胞培养生物反应器必须最大限度的发挥植物细胞合成次生代谢产物的潜力。,随后,剪切力较小的鼓泡柱反应器和气升式反应器得到人们的青睐。,植物细胞培养中也出现了微生物发酵中不常见的转鼓式反应器和膜生物反应器等。,以上几种用于植物细胞培养的反应器及其应用如下:,反应器类型 植物细胞体系搅拌式反应器 长春花、胡萝卜、毛地黄、烟草等鼓泡柱反应器 大豆、烟草等气生式反应器 长春花、雷公藤等膜生物反应器 烟草、长春花、人参细胞等转鼓式反应器 紫草等,目前,鼓泡床反应器和气升式反应器最常用于植物细胞培养。,鼓泡床反应器:是微生物好氧发酵采用的最简
11、单反应器之一。优点:密封性好,剪切力小,易放大。缺点:反应器内部的液体流型不稳定。,气升式反应器:空气在导流管中与培养基混合,既为植物细胞的生长提供了必需的氧气和良好的混合,流体的剪切力又比较适合植物细胞生长和代谢,而且没有机械传动。在植物细胞培养中得到广泛应用。,膜生物反应器,气升式反应器,鼓泡反应器,5L 光照植物细胞培养罐,40吨 植物细胞培养罐(紫杉醇细胞),3、动物细胞培养,动物细胞培养是指离散的动物细胞在体外人工无菌条件下的生长增殖,在整个过程中细胞不出现分化,不再形成组织。,培养的细胞类型:悬浮型和贴附型常用培养基:天然培养基 如血清。合成培养基 如eagle基本培养基、DMEM
12、等。需加一定比例的天然成分,最普通的是加入血清。无血清培养基。,原代培养培养的动物细胞大都取自动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织,将组织取出来后,先用胰蛋白酶等使组织分散成单个细胞,然后配制成一定浓度的细胞悬浮液,再将该悬浮液放入培养瓶中,在培养箱中培养,这个过程称为原代培养。传代培养细胞在培养瓶中贴壁生长。随着细胞的生长和增殖,培养瓶中的细胞越来越多,需要定期地用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离下来,配制成细胞悬浮液,分装到两个或两个以上的培养瓶中培养,这称为传代培养,培养方法:悬浮培养、帖壁培养、固定化培养、大规模培养法。,大规模培养技术是在帖壁培养和悬浮培养的基础上,融合了固定化细胞、流
13、式细胞术、生物反应罐技术等发展起来的。空心纤维法微载体法微囊法,动物组织细胞间隙中含有一定量的弹性纤维等蛋白质,将细胞网络起来形成具有一定弹性和韧性的组织和器官。用胰蛋白酶分散细胞。动物细胞培养适宜的pH为7.27.4,此环境下胃蛋白酶(2.0)没有活性,而胰蛋白酶(7.2-8.4)的活性较高。,胰蛋白酶,当继续传代培养时,少部分细胞会克服细胞寿命的极限,获得不死性,这些细胞已经发生了突变,正在朝着同等于癌细胞的方向发展。,左图显示了创面愈合过程中一个十分有趣的现象。当周边的上皮向创面中央爬行时,一旦上皮细胞互相接触,就停止分化和增殖。该现象就叫“接触抑制”。因此,创面上不会出现多余的皮赘。这
14、是一种十分巧妙和“神秘”的调控现象。,细胞的接触抑制,细胞在贴壁生长过程中,随着细胞分裂,数量不断增加,最后形成一个单层,此时细胞间相互接触,细胞分裂和生长停止,数量不再增加。,细胞的接触抑制,CO2细胞培养箱,万级洁净细胞培养室,细胞培养瓶,细胞培养瓶,细胞培养,4.细胞融合技术 细胞融合:又称细胞杂交,是指将不同来源的原生质体(除去细胞壁的细胞)相融合,并使之分化、再生、形成新物种或新品种的技术。或简单定义为将两个或多个细胞融合在一个细胞的过程。,细胞融合技术是20世纪60年代发展起来的一项细胞工程技术。细胞融合这种生物现象最初是在动物细胞中发现的。现已证明其可以在种间、属间、科间甚至动物
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